内外环型非接触变压器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103578718 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103578718 A (21)申请号 201310455988.6 (22)申请日 2013.09.29 H01F 30/16(2006.01) H01F 27/24(2006.01) H01F 27/30(2006.01) (71)申请人 航天科工惯性技术有限公司 地址 100070 北京市丰台区海鹰路 1 号院 2 号楼三层 (72)发明人 高涛 朱强 陈京谊 王学军 李守峰 李诚 李侃 朱配清 张艺欣 张伟 (74)专利代理机构 北京君尚知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11200

2、代理人 余长江 (54) 发明名称 内外环型非接触变压器 (57) 摘要 本发明公开了一种内外环型非接触变压器， 包括原边磁芯、 原边绕组、 副边磁芯、 副边绕组， 原 边磁芯是内环， 副边磁芯是外环， 原边磁芯套在副 边磁芯里面， 构成内外环型的机构， 原边绕组顺向 绕制在原边磁芯的背面， 副边绕组逆向绕制在副 边磁芯的内面。 内环或外环在转动的时侯， 电能的 传输不会受到任何影响。本发明通过减小原副边 磁芯的气隙、 增加原副边磁芯正对面积、 环型平面 绕组布置等方法， 能有效降低在原边直接闭合的 磁通的比例， 提高了变压器的耦合系数 ； 因而能 在原边和副边在相对转动的过程同时还可以获得

3、高耦合系数。非常有利于旋转非接触供电系统的 高效传输， 适用于大多数非接触式电能传输场合。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103578718 A CN 103578718 A 1/1 页 2 1. 一种内外环型非接触变压器， 包括原边磁芯、 原边绕组、 副边磁芯、 副边绕组， 其特征 在于， 所述原边磁芯和副边磁芯构成内外环型的结构。 2. 如权利要求 1 所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述原边磁芯是内环， 副 边

4、磁芯是外环， 原边磁芯套在副边磁芯里面。 3. 如权利要求 1 所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述原边绕组顺时针绕 制在原边磁芯的背面组成内环变压器， 所述副边绕组逆时针绕制在副边磁芯的内面组成外 环变压器。 4. 如权利要求 3 所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 原边的内环变压器固定 在内筒的安装架上和副边的外环变压器固定在外筒的安装架上， 同时所述内环变压器与副 边外环变压器相对转动。 5. 如权利要求 4 所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述原边的内环变压器 由五个内环磁芯组装。 6. 如权利要求 4 所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述副

5、边的外环变压器 由六个内环磁芯合组装。 7. 如权利要求 1-6 任一项所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述内外环型 的结构是内环和外环之间的距离较小的内外环型的结构。 8. 如权利要求 1-6 任一项所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述内外环型 的结构是原边磁芯、 副边磁芯正对面积较大的内外环型的结构。 9. 如权利要求 1-6 任一项所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述内外环型 的结构是环型平面绕组布置较大的内外环型的结构。 10. 如权利要求 1-6 任一项所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述磁芯是磁 粉芯、 铁氧体、 微晶或坡莫合金磁材料

6、中一种或多种的磁芯。 11. 如权利要求 1-6 任一项所述的内外环型非接触变压器， 其特征在于， 所述原边绕组 和 / 或所述副边绕组的导线是漆包线、 多股导线、 李兹线或 PCB 绕组中一种或多种的导线。 权 利 要 求 书 CN 103578718 A 2 1/4 页 3 内外环型非接触变压器 技术领域 0001 本发明涉及一种适用非接触供电系统中的原副边可旋转和高耦合系数的内外环 型非接触变压器， 属于变压器功率变换领域。 背景技术 0002 非接触供电根据互感器模型实现磁场耦合实现 “无线供电” 的一种电能传输方式， 利用原副边完全分离的非接触变压器， 通过高频磁场的耦合传输电能，

7、使得能量传递过程 中能量发射部分和能量拾取部分无物理连接。与传统的接触式供电相比， 非接触供电使用 方便， 安全， 无火花和触电危险， 在旋转过程中无机械磨损， 可适应各种恶略环境， 在风力和 太阳能发电， 电视， 显示器， 电动公交车等移动设备的供电场合。 0003 在 20 世纪 80 年代， 日本国家研究院与 Yaskawa 电气公司联合推出了非接触式电 能传输技术问题。经过多年努力， 该技术在理论和实践上获得了重大突破。下面对国外的 一些研究现状简要介绍 ： 20 世纪 90 年代， 新西兰奥克兰大学以 John T.Boys 教授为首的科 研团队在此领域做了较为深入的研究， 对非接触

8、电能传输技术的原理和设计， 以及轨道车 辆非接触供电和感应充电等应用方面进行了较为详尽的分析。 新西兰奥克兰大学所属奇思 公司基于该技术， 成功的开发了两个项目 ： 一个是新西兰惠灵顿大隧道的高速公路分道猫 眼系统 ； 另一个用于Rotorua国家地热公园的30KW无接触电动机车， 现处于安全运行阶段。 0004 来自日本 Kumamoto Institute of Technology 的工作人员对非接触电能传输技 术进行了大量相关的研究， 已经在 IEEE 期刊及国际会议上发表了十余篇论文。日本打扮 DAIFUKU 公司的单轨行车和无电瓶自动货运车， 这些非接触供电设备已成功地应用于物资

9、运输系统。 0005 德国 WAMPELER 公司研制的 200KW 载人电动火车已经试车成功， 在 WAMPELER 总部 制造的实验轨道是目前为止世界上最大的非接触电能传输系统， 总容量为 150KW， 轨道长度 将近 400m， 气隙宽度为 120mm， 车辆上安装了 6 个能量接受绕组， 每个绕组接受初级绕组输 出 25KW。 0006 美国通用汽车公司研制出的 Magne-charge 商用电动车感应耦合充电器 WM7200， 专门用于 GM 的 EV1 型电动车充电， 感应耦合传递能量的频率可以在 80KHz 到 350KHz 范围 内变动， 感应耦合的效率达到了 99.5。 00

10、07 韩国Kyungpook National University的Byungcho Choi等研究了手机非接触充 电装置的设计与制作， 通过采用印刷电路板上印制线圈来大大减小初、 次级线圈的体积， 从 而使得系统的副边拾取部分及整流充电电路部分可以全部内置于手机内部。 0008 目前国内该领域的研究还处于起步阶段， 对该技术及装置的研究还不够， 还没有 成熟的应用产品。随着国内各界对研究非接触电能传输技术的重要性和必要性越来越重 视， 相信我国在这方面很快就能取得较大发展。 0009 近年来， 中科院电工所和西安交通大学电力电子系也开始对该新型电能传输技术 进行研究， 并在国内杂志上发表了

11、一些文章。 主要对非接触电能传输系统的可分离变压器， 说 明 书 CN 103578718 A 3 2/4 页 4 系统稳定性及出现的非线性现象等理论和技术进行了大量分析。 0010 重庆大学自动化学院非接触电能传输技术课题组与 2001 年开始对国内外 “非接 触式电能接入技术” 相关基础理论与实用技术进行密切跟踪和研究， 在理论和技术成果上 有了较大的突破。 0011 目前的非接触供电系统产品普遍存在原边电能发射部分和副边电能拾取部分必 须相对位置必须固定， 在一些旋转供电的场合就不能发挥它的作用， 如何在原边和副边旋 转的状态下， 实现电能的传输并且保持高的偶合系数， 同时尽量减小其体积

12、重量成为旋转 非接触变压器设计的难点。 发明内容 0012 本发明的目的是为了克服上述现有非接触变压器存在的不可旋转， 耦合系数低的 缺点， 设计了一种有利于非接触供电的可旋转和高耦合系数非接触变压器。 0013 本发明的内外环型非接触变压器， 其结构主要由原边磁芯， 原边绕组， 副边磁芯， 副边绕组组成， 其中， 所述原边磁芯是内环， 副边磁芯是外环， 原边磁芯套在副边磁芯里面， 构成内外环型的结构， 内环和外环之间的距离就是非接触电能传输的气隙， 内环或外环在 转动的时侯， 电能的传输不会受到任何影响。 0014 本发明通过减小原副边磁芯的气隙、 增加原副边磁芯正对面积、 环型平面绕组布

13、置等方法， 提高变压器的耦合系数。 0015 本发明的原边绕组为顺时针方向绕制， 副边绕组为逆时针绕制。在有效的感应区 域内形成最大的闭合磁路。 0016 所述的原边的内环变压器固定在内筒的安装架上和副边的外环变压器固定在外 筒的安装架上是相互转动的。 0017 所述原边的内环变压器是由五个内环磁芯合在一起， 安装在内筒的安装架上， 如 图 1（a） 所示。 0018 所述副边的外环变压器是由六个内环磁芯合在一起， 安装在外筒的安装架上， 其 中中间四个是电能接受部分， 外筒的两边的磁芯是遮挡磁力线的， 防止漏磁增加系统的损 耗， 如图 1（b） 所示。 0019 所述原边绕组顺时针绕制在原边

14、磁芯的背面， 根据安培定则磁场的方向是由内环 的底部环绕到内环的上部， 相应的副边感应到的磁力线从外环的底部环绕到外环的上部， 同理， 根据安培定则， 副边绕组逆时针绕制在副边磁芯的内面， 原边绕组是发射能量的， 副 边绕组是接受能量的， 在有效的感应区域内形成闭合磁路， 这样才能提高原副边的耦合系 数， 最高效的能量传输。 0020 所述磁芯采用磁粉芯， 铁氧体， 微晶， 或坡莫合金磁材料， 原边绕组和副边绕组的 导线选用漆包线， 多股导线， 李兹线， 或者 PCB 绕组。 0021 本发明与现有非接触变压器相比的主要技术特点是， 通过本发明的磁芯形状， 原 边或副边在转动的时侯， 电能的传

15、输不会受到任何影响。 通过减小原副边磁芯的气隙、 增加 原副边磁芯正对面积、 环型平面绕组布置等方法， 能有效降低在原边直接闭合的磁通的比 例， 提高了变压器的耦合系数 ； 因而能在原边和副边在相对转动的过程同时还可以获得高 耦合系数。非常有利于旋转非接触供电系统的高效传输， 适用于大多数非接触式电能传输 说 明 书 CN 103578718 A 4 3/4 页 5 场合。 附图说明 0022 图 1（a） 是本发明中的一实施例中原边磁芯内环安装结构示意图 ； 0023 图 1（b） 是本发明中的一实施例中副边磁芯外环安装结构示意图 ； 0024 图 2 是本发明中的内环磁芯示意图。 0025

16、 图 3 是本发明中的外环磁芯示意图。 0026 图 4 是本发明中的一实施例中全桥谐振变换器的原理图， 其中的主要符号名称 ： Vin直流电源电压 ； Q1 Q4功率管 ； D1 D4二极管 ； Cp原边谐振电容 ； L1原边绕 组 ； L2副边绕组， D5 D8- 整流二极管 ； C2滤波电容 ； Re负载。 具体实施方式 0027 附图非限制性的攻了本发明的几个具体实施实例， 结合附图对本发明作进一步描 述如下。 0028 如图 1（a） 所示是本发明的一实施例中原边磁芯内环安装结构示意图和如图 1 （b） 所示是本发明中的一实施例中副边磁芯外环安装结构示意图 ； 其中原边磁芯是内环，

17、副 边磁芯是外环， 原边磁芯套在副边磁芯里面， 构成内外环型的结构。 在本发明的内外环型非 接触变压器中内环和外环之间的距离就是非接触电能传输的气隙， 内环或外环在转动的时 侯， 电能的传输不会受到任何影响。如图 1（a） 中所示是原边磁芯内环的原边的内环结构， 变压器是由五个内环磁芯合在一起安装在内筒的安装架上 ； 这样的设计不仅能够节约变压 器的所占体积而且能够将电能输出最大化。如图 1（b） 所示是副边磁芯外环安装结构示意 图， 副边的外环变压器是由六个内环磁芯合在一起安装在外筒的安装架上， 其中， 中间四个 是电能接受部分， 外筒的两边的磁芯是遮挡磁力线的， 防止漏磁增加系统的损耗，

18、0029 本发明的内外环型非接触变压器， 其结构主要由原边磁芯， 原边绕组， 副边磁芯， 副边绕组组成， 原边的磁芯如图 2 所示， 副边的磁芯如图 3 所示。其中， 所述内环由原边五 个磁芯合在一起， 绕组通过顺时针方向绕在内环的背面上， 外环是由副边六个磁芯合在一 起， 绕组通过逆时针绕制在内环的内壁上， 可以在有效的感应区域内形成闭合磁路。 原边磁 芯套在副边磁芯里面， 构成内外环型的结构， 内环和外环之间的距离就是非接触电能传输 的气隙， 内环或外环在转动的时侯， 电能的传输不会受到任何影响。 其中内环固定在工装的 内轴上面， 外环固定在外筒的内壁上。 通过减小原副边磁芯的气隙、 增加

19、原副边磁芯正对面 积、 环型平面绕组布置等方法， 提高变压器的耦合系数。 所述原边绕组顺向绕制在原边磁芯 的背面， 副边绕组逆向绕制在副边磁芯的内面， 原边绕组是发射能量的， 副边绕组是接受能 量的。原边绕组顺时针绕制在原边磁芯的背面， 根据安培定则磁场的方向是由内环的底部 环绕到内环的上部， 相应的副边感应到的磁力线从外环的底部环绕到外环的上部， 同理， 根 据安培定则， 副边绕组逆时针绕制在副边磁芯的内面， 原边绕组是发射能量的， 副边绕组是 接受能量的， 在有效的感应区域内形成闭合磁路， 这样才能提高原副边的耦合系数， 最高效 的能量传输。 所述磁芯采用磁粉芯， 铁氧体， 微晶， 或坡莫

20、合金磁材料， 原边绕组和副边绕组 的导线选用漆包线， 多股导线， 李兹线， 或者 PCB 绕组。 0030 本发明的实施拓扑参见附图 4， 是本发明的非接触变压器采用的全桥谐振变换器 说 明 书 CN 103578718 A 5 4/4 页 6 的原理图， MOS 管 Q1， Q2， Q3， Q4， 其中， MOS 管的 Q1 的源极与 MOS 管 Q2 的漏极相连接， MOS 管 Q3 的源极与 MOS 管 Q4 的漏极相连接， 松耦合变压器的原边的一端连接到 MOS 管 Q1 与 MOS 管 Q2 的连接处， 松耦合变压器的另一端串接一个谐振电容连接到 MOS 管 Q3 与 MOS 管 Q

21、4 的 连接处。其中， 直流电源电压 Vin； 功率管 Q1 Q4； 二极管 D1 D4； 原边谐振电容 Cp； 主功率 变压器上的原边绕组 L1为顺时针方向绕制 ； 副边绕组 L2为逆时针绕制， 在有效的感应区域 内形成最大的闭合磁路， 整流二极管 D5 D8 ； 滤波电容 C2； 负载 Re 0031 上述实例中的原边谐振电容 Cp在实际应用中均可串联 / 串联补偿， 串联 / 并联补 偿， 并联 / 串联补偿， 并联 / 并联补偿。本例只是以串联 / 并联补偿给出。 说 明 书 CN 103578718 A 6 1/4 页 7 图 1（a） 说 明 书 附 图 CN 103578718 A 7 2/4 页 8 图 1（b） 说 明 书 附 图 CN 103578718 A 8 3/4 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103578718 A 9 4/4 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103578718 A 10